楊房溝水電站大型地下廠房吊頂結構設計與思考

張立新，何展國

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，311122)

1 工程概況

楊房溝水電站為國內首個采用設計施工總承包(EPC)建設的百萬千瓦級大型水電項目，總裝機容量1500MW。主副廠房洞在平面布置上采用“一”字型布置，從左至右依次為副廠房、主廠房和安裝場，洞室開挖尺寸為230m×30m×75.57m(長×寬×高)，其中安裝場段長63.5m，機組段長146.5m，副廠房段長20m。

主廠房吊頂采用鋼和混凝土組合樓蓋結構[1-2]，拱梁內半徑為26.55m，拱梁彎曲角度為65.53°。吊頂結構上部作為通風層，布置有送風管、排風管和排煙管等。主廠房吊頂結構見圖1。

圖1 主廠房吊頂結構剖面(單位：mm)

主廠房吊頂結構由上、下游兩側吊頂支撐柱、拱梁、吊頂拉桿、壓型鋼板和鋼筋混凝土板組成。上、下游兩側的吊頂支撐柱為混凝土結構，位于已澆筑的巖壁吊車梁上，拱梁兩端與支撐柱連接，間距與支撐柱相同，拱梁之間最大間距為3.9m。頂棚鋼筋混凝土板沿廠房洞室縱軸線設置橫向結構縫。施工期作用在吊頂上的荷載通過拱梁傳遞給圍巖頂拱吊頂錨桿和廠房上、下游兩側邊墻處的吊頂支撐柱上。

根據設計與施工研究，經多方案比較，主廠房吊頂拱梁外殼骨架采用空腹式型鋼結構。其優點是：安裝完成后可與吊頂拉桿共同承受施工期荷載，無需搭設施工支承排架，施工速度快，并減小施工干擾，給工程帶來便利。

拱梁設計采用外包鋼—混凝土結構，拱梁斷面為矩形，設計尺寸為450mm×550mm，弧長為30.68m，矢高約為4.91m。拱梁由4榀等邊角鋼、焊接箍筋、斜腹桿組成空腹式鋼結構骨架，梁端與上、下游吊頂支撐柱的預埋鋼構件連接形成雙鉸拱結構。吊頂鋼拱梁結構見圖2，主廠房頂拱吊頂實景圖見圖3。

圖2 吊頂鋼拱梁剖面(單位：mm)

2 結構設計

吊頂結構分為施工期階段和運行期階段進行計算[3-4]。

考慮到施工順序對荷載取值影響較大，在計算吊頂結構時，首先需與施工單位溝通確定吊頂結構的施工順序。該水電站地下廠房吊頂結構施工順序為：頂拱開挖支護時安裝吊頂錨桿→澆筑巖壁吊車梁混凝土及吊頂支撐結構柱混凝土→鋼拱梁分段制作→鋼拱梁各段拼接完成后整體吊裝、并通過吊頂拉桿與吊頂錨桿焊接固定→鋪設鍍鋅壓型鋼板、與鋼拱梁焊接固定→鋪設吊頂照明電氣管路→鋪設鋼筋→澆筑拱梁及樓板混凝土。

施工期階段由吊頂拉桿、鋼拱梁和鍍鋅壓型鋼板共同承擔鋼結構自重、混凝土自重及施工期活荷載，將鋼拱梁考慮為一個整體，各法蘭連接部位需進行復核。

運行期工況由拱梁中的鋼結構和混凝土共同承擔結構自重及吊頂上風機設備荷載及運行期活荷載等所有荷載。

施工期混凝土澆筑工況及運行期工況拱梁兩端均支撐在已施工的吊頂支撐柱頂端，拱梁結構計算時將與吊頂支撐柱相接處考慮為鉸接約束，考慮法蘭連接，不對吊頂支撐柱進行建模計算。吊頂拱梁結構計算荷載組合及支撐工況見表1。

表1 吊頂拱梁結構計算荷載組合及支撐工況

3 設計思考

鋼結構拱梁復核計算除應按軸心受力構件和偏心受壓構件分別進行強度及穩定性驗算外，施工期還應考慮以下幾點：

(1)吊頂拉桿受拉承載力極限驗算：初步驗算，焊縫、吊頂錨桿錨固段長度及吊頂拉桿下端螺紋連接均滿足拉力要求，故吊頂拉桿軸力最大值不應大于吊頂拉桿受拉承載力極限。

(2)拱腳預埋螺栓復核：拱梁與上下游側的吊頂支撐結構柱通過預埋螺栓和預埋鋼板進行連接，因此需對螺栓的抗剪強度進行驗算。

(3)拱梁段間螺栓復核：根據施工措施，吊頂拱梁分為三段組裝，段間采用M30螺栓連接，故需進行抗剪強度復核。

(4)設置剪刀撐：為防止拱梁安裝過程中產生較大變形，保證施工期安全，須沿拱梁軸線方向設置剪刀撐。

(5)鍍鋅壓型鋼板復核：施工期鍍鋅壓型鋼板直接承受混凝土荷載和施工期活荷載，需進行復核，需計算其截面慣性矩、截面系數。

運行期混凝土梁、板承受荷載，不考慮吊頂拉桿，需對混凝土梁拱腳正截面軸心受壓承載力、拱頂正截面偏心受壓承載力、拱腰正截面偏心受壓承載力進行驗算。

除此之外，還需結合設備布置進行混凝土板配筋計算，本工程混凝土板計算需考慮多聯基礎和最大跨度段。

4 結語

據了解，錦屏二級水電站地下廠房[5](352.40m×28.30m×71.20m)、白鶴灘水電站地下廠房(438.00m×34.00m×88.70m)等大型水電站工程主廠房吊頂均采用外包鋼現澆混凝土疊合板梁結構。外包鋼混凝土吊頂結構復雜，設計應及時與施工單位溝通，工況、荷載取值需結合現場實際情況多方面考慮確定。為確保施工期安全，需注意拱梁法蘭連接計算、鍍鋅壓型鋼板復核及剪刀撐設置。目前，楊房溝水電站地下廠房吊頂已完成建設并投入運行，可供同類型地下廠房吊頂結構參考。